基于智慧農業基地的遺傳學實驗教學

孫 蕾 王 穎

(1.深圳實驗光明學校 廣東深圳 518107)

(2.廣東省深圳市光明教育科學研究院 廣東深圳 518107)

《義務教育課程方案(2022年版)》要求“加強課程與勞動生產、社會實踐的結合,充分發揮實踐的獨特育人功能。”為落實課程方案的要求,筆者創建“智慧農業勞動和教學基地”。基地分為糧食、蔬菜、經濟作物、中草藥四個片區,多樣化的植物為相關學科教學提供實踐場所。在實踐中,筆者整合智慧農業基地的生物資源,將勞動教育與生物學教學相結合,探索初高中生物學教學的銜接,以期達到實踐育人的目的。

人教版《生物學·八年級下冊》“基因的顯性和隱性”一節中,通過介紹孟德爾的豌豆雜交實驗,讓學生理解基因的顯性和隱性。為了降低初中生學習的難度,教材沒有介紹“親本”“自交”等概念,實踐發現這些概念是溝通初高中遺傳學學習的橋梁。為了促進初高中遺傳學的銜接,筆者引導學生利用基地的生物資源設計探究實驗,構建“花蕊”“傳粉”“受精”“自交”“雜交”等概念,并通過玉米雜交實驗探究性狀的顯性和隱性,促進對“基因的分離定律”的理解,在解決真實問題中培養科學思維和科學方法。

1 依托授粉解剖活動,構建遺傳學重要概念

北京師范大學劉恩山教授認為初中生物學教學要“高度關注實踐在學生素養發展過程中的重要作用……通過在現實情境中探討解決真實問題的探究活動或跨學科實踐活動,幫助學生加深對生物學概念的理解。”“自交”“雜交”等概念是遺傳學重要概念,是學習遺傳學的基礎,也是教師教學的重點和難點。為了幫助學生構建這些概念,筆者引導學生利用基地的生物資源開展青瓜授粉、花卉解剖等實踐探究活動,成功構建“父本”“母本”“自交”“雜交”等重要概念。

1.1 借助青瓜授粉活動,區分“父本”和“母本”

人教版《生物學·七年級·上冊》第三單元第二章第三節“開花和結果”屬于“植物的生活”學習主題,《義務教育生物學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“生物學課標”)對應的內容要求是:構建概念4.1.5“花中最主要的結構是雄蕊和雌蕊,雄蕊產生的精子與雌蕊產生的卵細胞相結合形成受精卵,花經過傳粉和受精后形成果實和種子。”教材建議通過解剖一朵桃花理解“花的哪些結構是重要的”和“花的發育”。智慧農業基地有多種開花植物,為了幫助學生構建“花的結構”,教師指導學生在基地觀察青瓜、絲瓜、玉米等單性花,同時對比觀察小麥、百合花等兩性花。學生通過解剖百合花和青瓜的花,認識雄蕊和雌蕊,并在實體顯微鏡下觀察花粉和胚珠,發現其中有生殖細胞,由此得出花的主要結構是雄蕊和雌蕊。

為了提高基地的青瓜、絲瓜和冬瓜等的產量,筆者指導學生開展人工授粉活動,學生利用毛筆對青瓜等進行“傳粉”,并對完成人工授粉的花進行掛牌標記,吊牌上寫著授粉的實踐和操作人。一個星期后,學生挑選柱頭凋落的雌花,用解剖刀縱向切開子房,在解剖顯微鏡下觀察胚珠等結構。學生通過解剖活動理解“受精”的概念和植物開花和結果之間的聯系。

同時,學生在活動中應思考以下的問題:①對于植物繁衍后代來說,花的哪些結構是最重要的?②在青瓜授粉活動中,提供花粉的是父本還是母本?③接受花粉后,雌花將發育成青瓜的哪些結構?

1.2 依托花卉解剖實驗,理解“自交”和“雜交”

豆科植物在自然狀態下是自花傳粉植物,為了探究豌豆“自然狀態下是純種的原因”的奧秘,筆者帶領生物興趣小組在智慧農業基地觀察豆科植物的蝶形花冠,并摘取黃豆和豌豆花作為實驗材料。學生在解剖顯微鏡下解剖和觀察黃豆花和豌豆花,通過觀察豌豆花的花蕊構建“自交”“閉花授粉”的概念,理解豆科植物花的結構與功能相適應。學生在活動中思考以下的問題:①除了黃豆和豌豆,在智慧農業基地你還發現哪些植物具有蝶形花冠?②植物一般在花冠開放露出花蕊后授粉,但摘下豌豆花緊緊閉合的龍骨瓣后,在雌蕊的柱頭上發現了黃色的花粉,這說明了什么?③豌豆在自然狀態下為什么都是純種?豌豆做雜交實驗材料的有哪些優點。

生物學課標建議開展“植物栽培活動”等跨學科實踐活動。人教版《生物學·七年級·上冊》教科書建議開展玉米人工輔助授粉,讓學生在實踐中領悟傳粉和結果等重要生命過程。玉米是雌雄同株異花的植物,學習小組在天臺基地用放大鏡觀察玉米花,頂端的花是雄花,玉米莖中間部位的是雌花,胡須狀的是雌花的花柱和柱頭。接著,學生取紙袋套住玉米的雄蕊,輕輕搖動玉米莖稈,收集花粉,將收集好的花粉,倒在雌蕊的柱頭上。學生在活動中思考,為同株和不同株的玉米授粉,授粉方式相同嗎?至此,學生可以徹底地區別“自交”和“雜交”。此外,學生通過豌豆雜交活動鞏固對“雜交”的理解。

2 借助植物雜交實驗,探究生物遺傳的規律

2.1 探究玉米籽粒顏色的顯隱性

已知玉米植株能進行自交和雜交,基地的玉米有白色和黃色2 種,為了探究玉米籽粒顏色的顯隱性,筆者指導學習小組設計如下遺傳實驗方案(表1),將純種白色玉米和純種黃色玉米間種,所結種子為子一代。玉米種植3 個月后結出果實,學生觀察和統計玉米植株上子一代的種子的顏色。結果基地的白玉米植株上既有白玉米種子也有黃玉米種子,而黃玉米植株上沒有白玉米種子,說明白色是隱性性狀,黃色是顯性性狀。看到白玉米植株上有黃色和白色玉米種子,學習小組提出新問題“子一代黃玉米種子中控制白色性狀的基因是否消失了?”

表1 探究玉米籽粒顏色的顯隱性實驗方案

2.2 探究玉米隱性基因是否消失

為探究“黃玉米種子中控制白色性狀的基因是否消失”。筆者將白玉米植株的子一代黃色玉米種子作為實驗材料,引導學生設計實驗方案和預測實驗結果(表2)。學習小組觀察并統計子二代玉米種子的顏色和數量,結果子二代玉米種子有黃色和白色,學生利用Excel 統計實驗數據,發現黃色和白色玉米種子數量比約為3∶1。學生應用孟德爾遺傳規律解釋實驗結果,最后得出實驗結論:控制白色性狀的基因沒有消失。

表2 探究玉米控制白色性狀的基因是否消失實驗方案

3 基于智慧農業基地的遺傳實驗教學優勢分析

3.1 借助豐富的植物資源,保障實驗材料供應

選擇合適的實驗材料是實驗成功的前提,豌豆、玉米是常見的遺傳學實驗材料,孟德爾曾經用豌豆、玉米等探究遺傳規律。由此,筆者將勞動教育與生物實驗教學相融合,在智慧農業基地的種植玉米、豌豆等農作物,供學生探究植物遺傳的奧秘。為了保障實驗材料與實驗教學計劃同步,查閱資料了解玉米、豌豆的生長周期,并結合學期教學計劃規劃玉米等植物的種植方案,如讓青瓜、絲瓜的花期與“植物的開花與結果”教學同步,玉米和豌豆生長契合“基因的顯性與隱性”教學。

3.2 提供真實的科研情境,提高科學探究素養

科學探究是學習生物學的重要方式,探究實踐是創新型人才的重要標志。教師讓學生像科學家一樣去探究實踐,如探究豌豆為什么是遺傳學的好材料,探究玉米種子顏色的遺傳規律等。教師讓學生通過“做中學”“用中學”“創中學”理解遺傳的規律,在解決真實問題中培養科學思維和科學方法,逐漸提升生物學核心素養。孟德爾用了8年時間研究遺傳的規律,學生在真實的科研情境中體會科學研究的艱辛,學習其堅持不懈、迎難而上的科學精神。

3.3 巧用信息技術手段,助力實驗探究開展

受課時和場地的限制,無法滿足全體學生參與活動的全程,學習小組只能派代表去天臺觀察和記錄雜交后植物的生長狀況。為了滿足全體學生的學習需求,教師借助智慧農業基地的監控系統,調控監控系統拍攝和記錄參與實驗的植物生長,如攝像頭聚焦拍攝玉米雌花受精后發育狀況,教師將監控視頻進行編輯發送到家長群,讓家長和學生了解實驗進展,以此鼓勵家長參與學生的實驗。此外,該實驗視頻也成為“植物的生長”的教學資源。

4 教學反思

開展植物遺傳學實驗需要專門的種植場地,對實驗植物進行田間管理,我校滿足開展實驗教學的條件。筆者查閱資料發現,豌豆、玉米等是孟德爾研究遺傳規律的實驗材料,將勞動教育與生物實驗教學相融合,指導學生像孟德爾等科學家一樣開展實驗探究,在解決真實問題中切實地提高生物學學科素養。學生在初中階段理解“親本”“自交”等遺傳概念,可以有效地銜接初高中遺傳學的學習,幫助學生突破高中遺傳學學習的難點,提高學生科學思維能力。

因為首次探索植物遺傳學實驗,本課例的實踐有諸多不足。本課例中所有的實驗材料均由教師來選擇,不利于激發學生主動學習,可以優化為由學生尋找合適的實驗材料。教師沒有充分考慮實驗植物的生長周期,玉米從授粉到完熟大概需要45—50 天,玉米雜交實驗不能在遺傳學教學期間完成。教師可以按照玉米雜交實驗方案,提前準備好兩片玉米地,一片玉米正處于花期可以用于人工授粉活動,另一片雜交實驗成熟的玉米用于實驗結果的統計。高中生物教材以豌豆為例,總結其作為實驗材料的諸多優點,啟發筆者,本次實驗以玉米為例,教師可以指導學習小組總結其作為遺傳實驗材料的優勢。

跨學科主題學習是培育學生核心素養的必要途徑,是強化課程協同育人的必要手段,形成深層知識理解的必要環節。由此啟發,教師探索勞動教育與生物學跨學科主題學習,將勞動和生物教學有機融合。如將為玉米施肥和授粉活動結合起來,玉米秋收活動結束后進行雜交實驗結果統計,這樣的設計既可以節約課時和人力成本,也可以發揮學科間綜合育人功能,提高實踐育人的效果。